JP2004031992A

JP2004031992A - 表面平坦化が施された半導体ウェハおよび半導体装置

Info

Publication number: JP2004031992A
Application number: JP2003357364A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shimono; 下野　一宏
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【目的】　ウェハなどの加工面の鏡面研磨の平坦度を向上し、ハーフミクロン以下の線幅の加工を容易に行うことができる表面平坦化が施された半導体ウェハおよび半導体装置を提供する。
【構成】　ハーフミクロン以下の線幅の加工を行う半導体ウェハであって、（ａ）被研磨材Ｗの加工面とポリシングクロス２とを押しあて、（ｂ）前記被研磨材Ｗと前記ポリシングクロス２とを相対的に回転させ、かつ、前記ポリシングクロスを自転させるとともに前記相対的回転の半径方向成分を有する方向に平面移動させながら前記被研磨材と前記ポリシングクロスとを摺動し、（ｃ）前記摺動する面に研磨剤を添加した加工液Ｃを供給することによって表面平坦度を０.０２μｍ以内にしたことを特徴とする。
【選択図】　　　　図１

Description

　本発明は、表面の平坦化が施された半導体ウェハおよび半導体装置に関する。さらに詳しくは、ハーフミクロン以下の加工を行うばあいにもフォーカスズレなどが生じない表面平坦度がえられる半導体ウェハおよび半導体装置に関する。

　たとえば半導体装置は半導体ウェハの表面にパターニングをして各回路素子や配線を形成するため、半導体ウェハの表面が平坦でないと、パターニングのためのマスクにウネリや段差を生じ、そのまま次工程の露光を行うと、アライメントずれやフォーカスずれなどが発生し、エッチング後にえられる線幅が予定通りにならないことがある。とくに最近の半導体装置では、高集積化に伴ない、パターニングなどにハーフミクロン以下の精度が要求されている。そのため、半導体ウェハの表面の平坦度も０．０２μｍ以下の平坦度が要求されている。従来の半導体ウェハを研磨して鏡面ウェハをつくるには、まず半導体ウェハの表面をラッピングし、切断による加工ひずみを除去して厚さを一定にしたのち、コロイダルシリカなどの研磨剤を使い、ラップ盤などによりケミカルメカニカルポリシングと称される鏡面研磨処理が行われている。

　従来のケミカルメカニカルポリシリング処理によりウェハ表面を鏡面研磨する方法としては、たとえば図４に示すように、回転定盤４１に不織布、合成皮革などのクロスを貼りつけ、その上に半導体ウェハ（以下、ウェハという）Ｗを接着した貼付定盤４２をウェハの表面が前記クロスに面するように（フェースダウン）載置し、ＫＯＨまたはアミン水溶液などにシリカパウダーなどを分散させた加工液ＣをウェハＷと回転定盤４１のあいだに流し、ウェハＷに所定の接触圧を加え回転定盤４１を回転させ、ウェハＷは一緒に回転しないようにしながらウェハ表面の研磨処理を行っている（たとえば特許文献１参照）。

　一方ウェハの切削装置として、たとえば回転テーブルの上に複数枚のウェハを載置（フェースアップ）し、加工液をかけながらウェハの上面から砥石で切削研磨する方法もとられている（たとえば特許文献２参照）が、切削を主目的とするもので、表面の平坦度を良好にうる方法ではなく、複数のウェハによってバラツキが生じ、また切削研磨する砥石も１枚のウェハより大きく、ウェハの平坦度を向上させるための手段はとくに開示されていない。
特開昭６２−１６２４６２号公報特開昭６２−１６２４６８号公報

　前記、従来の研磨による表面仕上方法においては、大きな定盤などに貼りつけたクロスなどと被研磨材とを相対的に摺動しているだけであるため、擦すられる部分は定まっておりウェハの充分な平坦度がえられていない。またウェハの表面を下向き（フェイスダウン）で仕上げているため、膜質や膜厚などで加工の条件が変化するが、これらの観察ができず、最適のところで加工を終了させるように制御することができない。またウェハに加える接触圧の調節も難かしく、ウェハ表面の満足な平坦度がえられず、ハーフミクロン以下の加工に支障をきたさないウェハが安定してえられないという問題がある。

　本発明はこのような問題を解決し、ウェハなどの加工面の鏡面研磨の平坦度を向上し、ハーフミクロン以下の線幅の加工を行うばあいにも容易にできる表面平坦化が施された半導体ウェハおよび半導体装置を提供することを目的とする。

　本発明の半導体ウェハは、ハーフミクロン以下の線幅の加工を行う半導体ウェハであって、（ａ）被研磨材の加工面とポリシングクロスとを押しあて、（ｂ）前記被研磨材と前記ポリシングクロスとを相対的に回転させ、かつ、前記ポリシングクロスを自転させるとともに前記相対的回転の半径方向成分を有する方向に平面移動させながら前記被研磨材と前記ポリシングクロスとを摺動し、（ｃ）前記摺動する面に研磨剤を添加した加工液を供給することによって表面平坦度を０.０２μｍ以内にしたことを特徴とする。

　本発明による半導体装置は、半導体ウェハにハーフミクロン以下の線幅の加工が行われた回路素子または配線を有する半導体装置であって、前記回路素子または配線が形成される前の前記半導体ウェハの表面平坦度が０.０２μｍ以内に形成されていることを特徴とする。

　本発明によれば、被研磨材とポリシングクロスを相対的に回転するとともにポリシングクロスを自転させ、かつ、半径方向にも移動しているため、被研磨材である半導体ウェハの加工面がポリシングクロスの種々の面と摺動され、均一な平坦度がえられる。

　さらに加工表面を上向きにして表面状態を検査しながら加工することにより、加工途中の加工膜厚や表面粗さを外部より非接触または接触式膜厚測定器により容易に把握でき、加工条件の制御を適確に行うことができる。

　その結果、必要な膜厚で、平坦度の良好なものをうることができ、集積度が飛躍的に高い半導体装置や精密な光学機器などを容易にうることができる。

　さらに、半導体ウェハの加工面を上向きに固定し、研磨剤を混合した加工液を供給しながらウェハとポリシングクロスを相対回転させながら研磨するため、表面平坦度０．０２μｍ以下に研磨でき、線幅０．５μｍ以下の加工が容易にできるウェハがえられる。また加工途中に非接触式または接触式の膜厚測定器により外部より加工膜厚を測定することにより、えられる平坦度および膜厚のジャストタイミングで加工を終了させることができる。

　つぎに本発明による半導体ウェハおよび半導体装置を得るための被研磨材の表面平坦化方法の一実施例を図１〜３に基づいて説明する。すなわち、本発明による半導体ウェハおよび半導体装置は、半導体ウェハにハーフミクロン以下の線幅の回路素子および／または配線を形成する前などの、ウェハ作製途中工程での半導体ウェハ表面を０.０２μｍ以下の平坦度にすることに特徴があり、その平坦化方法について説明をする。図１は被研磨材の表面平坦化方法に使用される鏡面研磨装置の一例を示す斜視図、図２は鏡面研磨装置の他の例を示す斜視図、図３は被研磨材の表面平坦化方法を説明する工程図である。

　図１に示す鏡面研磨装置はウェハを吸着固定する真空チャックを兼ねた回転定盤１と回転するポリシングクロス２と加工液供給装置３および図示しない膜厚測定器とを備えている。

　回転定盤１はウェハを吸着して固定するとともに回転させるためのもので、上面が平らな円板状に形成され、下部中央部に回転軸１１が設けられ回転軸１１は図示しない駆動装置に連結され、所定回転数、たとえば１０〜２００ｒｐｍで回転するようにされている。また回転定盤１の平らな上面に研磨されるウェハを載置して吸着するために、回転上面は中空に形成された回転軸１１を介して図示しない真空装置に連通されている。

　ポリシングクロス２は、ウェハ表面に接触して研磨するためのもので、円筒または円柱状に形成され、円周面に不織布、フェルト、合成皮革、天然皮革、ポーラス樹脂などが設けられ、回転定盤１に対し接近したり離反できるとともにウェハへの押圧力が調節できるように設けられている。このポリシングクロスは、たとえば回転定盤１の直径を８０〜３２０ｍｍφとするとき、直径３０〜１００ｍｍφ、長さ５０〜１８０ｍｍ程度とウェハＷの大きさの１／５〜１／３程度の大きさに形成され、回転数を３０〜３００ｒｐｍで回転させる。ポリシングクロス２は被研磨材と相対的に回転するほか、自転するとともに水平方向にも移動できるようにされている。すなわち、ポリシングクロス２はウェハＷの大きさより小さく形成され、回転するウェハＷ上で自転しながらウェハＷの表面を摺動して研磨しながらその位置をウェハＷの半径方向に移動するようにし、半径方向を定期的に移動しながら研磨する。また後述する検査装置により検出されたウェハＷの厚さが厚い部分や平坦度のよくない部分にポリシングクロス２を移動させて研磨することもできる。このように本発明の研磨方法はウェハＷの大きさより小さいポリシングクロスをウェハとのあいだで相対的に公転させながらポリシングクロスを自転させるとともに公転の半径方向に移動させながら研磨することに特徴がある。このようにすることにより、ポリシングクロスの同じ部分が常にウェハの同じ位置を擦することはなくなり、均一な平坦面がえられる。

　加工液供給装置３は、供給管３１と輸送手段３２と加工液貯留タンク３３とから構成されている。供給管３１は加工液をウェハＷの表面に供給するためのもので、その一端は回転定盤１の中央に開口している。供給管３１の他端側にはポンプなどの加工液の輸送手段３２に接続され、貯留タンク３３内に貯えられた加工液がこの輸送手段３２によって供給管３１に送り出される。

　加工液としては、メチルアミン（ＣＨ₃ＮＨ₂）、エチルアミン（ＣＨ₃ＣＨ₂ＮＨ₂）、エタノールアミン（ＮＨ₂Ｃ₂Ｈ₄ＯＨ）などのアミン化合物（Ｒ−ＮＨ₂、Ｒ−ＮＨ−Ｒ' 、Ｒ−ＮＲ''−Ｒ' 、ただしＲ、Ｒ' 、Ｒ''は炭化水素基）の水溶液を使用することができる。この加工液に加える研磨剤としてはシリカ（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などの粒度０．５〜１０μｍ程度のパウダーを加工液に対して５〜３５０ｇ／リットルの範囲で混ぜることが研磨を促進するうえで好ましい。

　加工液としては前述のアミン水溶液の他に水酸化カリウム水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などの水酸基を含む水溶液にシリカなどのパウダーを混ぜたものを使用することもできる。このばあいはそののちの洗浄にフッ酸などを用いた洗浄をする必要がある。アミン水溶液を用いたばあいは、アンモニアによる洗浄などで簡単に洗浄することができるため好ましい。

　ウェハＷの加工途中の加工膜厚は外部より図示しない膜厚測定器で測定する。この膜厚測定器として非接触のものとしては、たとえばナノメトリックスジャパン（株）製の商品名ナノスペックモデル２１０、米国のルドルフリサーチ社製の商品名三波長自動エリプソメータなどの反射するレーザ光の波長の変化をみる非接触型膜厚測定器などを使用でき、接触タイプのものとしては、たとえばドイツ国のマーポス社製の変位計や２端子間の電流差を電圧に変換して膜厚に換算する４端針測定器などのように、接触針の変位を拡大して測定できる微小変位計などを使用することができる。具体的には、たとえば非接触型膜厚測定器を使用して加工中のウェハにレーザ光を照射し、その反射光を測定することにより残留膜厚を数値化することにより測定する。この膜厚測定器によりウェハの表面を観察しながら研磨することにより平坦度、すなわち残留膜厚がえられた段階または丁度定められた膜厚のところで研磨を止めることができる。

　前記アミン水溶液はシリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などのウェハを金属イオンで汚染することなく溶解する性質を有しているため、前記ホーニング効果およびラッピング効果と、この化学的加工効果の三者の相乗により、より高い平坦度の向上が達成される。

　なおアミン水溶液や水酸基を含む水溶液はアルミニウムとは反応するので、装置の材料にアルミニウムを使用するときは耐食コーテングをするなどして耐食を講ずるか、他のアルミニウム以外の金属材料を使用する。

　図２に示す鏡面研磨装置は、前記図１の装置とはポリシングクロスが異なっているのみでその他は同じである。

　本実施例のポリシングクロス２０は円板状に形成された自在加圧定盤に、不織布、フェルト、合成皮革、天然皮革、ポーラス樹脂などの前記ポリシングクロスと同様の材料のものをウェハと対向する平面側に接着してある。ポリシングクロス２０は図示しない駆動装置に接続され、２０〜６００ｒｐｍ程度に回転可能にされているとともに図１のばあいと同様にウェハＷの半径方向に移動可能にされ、さらにウェハに対するクロス面の押圧力が調節できるようにされている。

　そして前記実施例と同様に、アミン水溶液にシリカパウダーを混ぜて分散させた加工液を貯留タンク３３からポンプによりウェハＷに供給しながら、回転定盤１をたとえば時計方向に回転することによりウェハＷを一緒に回転させ、ウェハＷに対し相対的にポリシングクロス２０を公転させるとともに、このウェハＷ上面にポリシングクロス２０を時計方向に自転させ、押しつけながら研磨する。このポリシングクロス２０へ押しつける力、押圧力は、ポリシングクロス２０の上下運動をシリンダー（空圧、油圧）などで駆動することにより制御する。

　その他は前記図１の例と同様であるのでその説明を省略する。

　つぎに図３によりウェハを鏡面研磨して仕上げる具体的な表面平坦化方法を説明する。

　ラップして厚さを一定にし、加工ひずみを除去してカセット４に収納されたウェハＷをカセット４から取り出す（図３（ａ））。回転定盤１に載置し、図示していない真空装置によりウェハＷを回転定盤１に吸着して固定し、シリカパウダーを分散させた加工液を供給管３１から、ウェハＷに供給し、回転定盤１を、たとえば反時計方向へ１８０ｒｐｍの速度で回転させ、ポリシングクロス２を時計方向へ４０ｒｐｍで自転させるとともに半径方向に移動させながらウェハＷを鏡面研磨する（図３（ｂ））。研磨表面をたとえば非接触型膜厚測定器により検査しながら所定の平坦度でかつ所定の厚さになるまで研磨を行う。

　つぎに真空吸引を止め、ウェハＷを鏡面研磨装置と類似の洗浄装置の回転定盤５に鏡面研磨面を上にして載置し、真空吸着して固定し、洗浄液たとえば純水を供給管７からウェハＷの表面に供給しながら、回転定盤５を反時計方向へ５０ｒｐｍ程度の速度で回転させる。同時に回転ブラシ６を反時計方向へ２０ｒｐｍ程度の速度で回転させながらウェハＷの鏡面研磨面に接触させながら洗浄する（図３（ｃ））。そののち水を除去して乾燥し、真空吸着を止めてウェハＷを移動してカセット８に収容する（図３（ｄ））。

　なお前記実施例においては加工液にアミン水溶液を用いて説明したが、加工液に水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ性水溶液をベースにした水溶液を用いてもよい。このばあい、フッ酸などによる洗浄が必要であり、アミン水溶液より複雑な洗浄作業が必要になる。また鏡面研磨作業は連続式でもバッチ式でもいずれの方式であってもよい。

本発明による半導体ウェハおよび半導体装置を得るための表面平坦化方法に用いる鏡面研磨装置の一例を示す斜視図である。鏡面研磨装置の他の例を示す斜視図である。本発明による半導体ウェハおよび半導体装置を得るための表面平坦化方法を説明する工程図である。従来の表面平坦化方法を実施するのに用いる装置の概略斜視図である。

符号の説明

　１　回転定盤
　２　ポリシングクロス
　Ｃ　加工液
　Ｗ　ウェハ（被研磨材）

Claims

ハーフミクロン以下の線幅の加工を行う半導体ウェハであって、（ａ）被研磨材の加工面とポリシングクロスとを押しあて、（ｂ）前記被研磨材と前記ポリシングクロスとを相対的に回転させ、かつ、前記ポリシングクロスを自転させるとともに前記相対的回転の半径方向成分を有する方向に平面移動させながら前記被研磨材と前記ポリシングクロスとを摺動し、（ｃ）前記摺動する面に研磨剤を添加した加工液を供給することによって表面平坦度を０.０２μｍ以内にしたことを特徴とする半導体ウェハ。
半導体ウェハにハーフミクロン以下の線幅の加工が行われた回路素子または配線を有する半導体装置であって、前記回路素子または配線が形成される前の前記半導体ウェハの表面平坦度が０.０２μｍ以内に形成されていることを特徴とする半導体装置。